В конце октября прошла пятая отраслевая конференция по «Прорыву» — уникальному для мировой атомной энергетики проекту, реализующему замыкание ядерного топливного цикла с быстрыми реакторами. Ученые и руководители Росатома и внешних организаций рассказали о последних результатах проекта и обсудили актуальные задачи.
Открыл конференцию глава Росатома Алексей Лихачев. Он напомнил, что к 2035 году в России будут все технологические элементы для перехода к двухкомпонентной атомной энергетике: одновременно будут работать и тепловые, и быстрые реакторы, что позволит замкнуть ядерный топливный цикл (ЯТЦ). Как результат — атомная энергетика станет независимой от урановой сырьевой базы и будет базироваться на принципах повышенной безопасности, безуглеродности и нераспространения. Алексей Лихачев назвал такую задачу грандиозной: «Успешная реализация проекта позволит нам закрепить абсолютное мировое лидерство в создании новых ядерных энерготехнологий и даст дополнительное преимущество атомной энергетике как зеленой и экологически чистой. Это стратегически важно не только для российской, но и для всей мировой атомной промышленности», — подчеркнул глава Росатома. Он отметил, что работы по «Прорыву» идут четко по графику.
Технологии замкнутого ядерного топливного цикла будут реализованы на площадке опытно-демонстративного комплекса (ОДЭК), который сейчас строится на площадке АО «Сибирский химический комбинат» («СХК», входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ») в Томской области. На территории комплекса будут работать модуль по фабрикации/рефабрикации топлива (в 2023 году должно завершиться его строительство), реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД‑300 (ввод в промышленную эксплуатацию намечен на 2027 год) и модуль по переработке топлива (начнет работу в 2030 году).
Двухкомпонентная атомная энергетика — один из пяти федеральных проектов комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 года» (РТТН), утвержденной российским правительством в этом году. Как сообщила директор по управлению научно-техническими программами и проектами Росатома Наталья Ильина, утвержденный бюджет РТТН до 2024 года составляет 354.7 млрд руб. (5 млрд долл.), проекта «Прорыв» — 64.2 млрд руб. (900 млн долл.).
Реакторы: свинцовый и натриевый
Летом этого года на СХК состоялась церемония заливки первого бетона для здания энергоблока БРЕСТа. Как сообщил главный конструктор «Прорыва» Вадим Лемехов, основные элементы БРЕСТа уже заказаны для изготовления на отраслевых заводах Росатома: это парогенератор, главный циркуляционный насос, корпус реакторного блока, внутрикорпусные устройства и т. д. Это стало возможным после того, как в начале 2021 года была получена лицензия на сооружение реактора. Так реактор БРЕСТ-ОД‑300 стал первым сооружаемым реактором 4 поколения. Безопасность БРЕСТа будет достигнута благодаря максимальному использованию природных свойств материалов и конструктивных решений с применением пассивных принципов. В качестве теплоносителя выступает жидкий свинец: в отличие от воды, он обладает гораздо более высокой температурой кипения и застывания, что позволяет исключить потерю теплоносителя, пожары, химические или тепловые взрывы, также он обеспечивает быстрый спектр нейтронов для полного или расширенного воспроизводства топлива. В БРЕСТе будет реализована двухконтурная схема: ядерное топливо нагревает свинец (первый контур); свинец направляется в парогенератор, передает тепло воде второго контура.
Также в рамках проекта «Прорыв» разрабатывается реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем — БН‑1200М. Технология «быстрых» натриевых реакторов в России уже давно апробирована: на Белоярской АЭС работают два таких промышленных реактора, БН‑600 и БН‑800. Как рассказал главный конструктор реакторных установок на быстрых нейтронах АО «ОКБМ Африкантов» (входит в Росатом) Сергей Шепелев, основная задача модернизации проекта БН‑1200 заключалась в том, чтобы достичь конкурентоспособности с другими видами генерации, в том числе паро-газовыми установками. Ключевые характеристики БН‑1200М будут лучше, чем у БН‑800: так, будет уменьшена удельная масса реактора, унифицированы конструктивные и компоновочные решения по активной зоне со СНУП и МОКС топливом и т. п. Сейчас проводятся работы по улучшению технико-экономических показателей энергоблока и выполняются дополнительные НИОКР по обоснованию технических решений.
Фабрикация и переработка топлива
Для замыкания топливного цикла на ОДЭК реализуется так называемый пристанционный топливный цикл, который включает в себя два основных модуля — МФР и МП, имеющие общую систему обращения с радиоактивными отходами (РАО). На первом из них впервые в мире создается опытно-промышленное производство смешанного нитридного топлива на основе энергетического плутония и обеднённого урана с использованием технологии карботермического синтеза. Единый модуль фабрикации и рефабрикации топлива позволяет работать как с исходными материалами, так и с продуктами переработки ОЯТ реактора БРЕСТ-ОД‑300, а также предусматривает включение в топливо минорных актинидов для последующей их трансмутации.
Главный технолог Прорыва Юрий Мочалов в ходе конференции рассказал, что наиболее существенные результаты получены в разработке технологии плотного нитридного смешанного уран-плутониевого топлива. Экспериментальные тепловыделяющие сборки, изготовленные на АО «СХК», доказали свою эффективность в ходе реакторных испытаний и по итогам послереакторных исследований. Также для МФР впервые в мире были созданы уникальные многофункциональные комплексы — установки карботермического синтеза, изготовления таблеток и участок технологического сопровождения. «Сейчас осуществляется монтаж технологических линий МФР, в 2022 году начнутся пуско-наладочные работы, а в 2023 году стартует фаза освоения производства топлива», — подчеркнул Юрий Мочалов. На ОДЭК МФР будет работать под задачи БРЕСТА, но, по словам эксперта, в дальнейшем он может быть реконструирован и для топливообеспечения БН‑1200М. В основе реконструкции лежат новые подходы: «от автоматизации к роботизации».
Технологии обращения с РАО охватывают оба передела: и фабрикацию, и переработку ОЯТ, обеспечивая максимальное извлечение из ЖРО трансурановых элементов. «Изготовлен полномасштабный макет опытно-промышленного оборудования остекловывания высокоактивных отходов гидрометаллургического и пирохимического переделов переработки ОЯТ», — отметил Юрий Мочалов.
Основные проблемы и риски развития атомной энергетики связаны с обращением с облученным ядерным топливом и радиоактивными отходами (РАО) с учетом современных требований экологической безопасности. Выступая на конференции, главный радиоэколог «Прорыва» Виктор Иванов рассказал, что при замыкании ЯТЦ на базе «быстрых» реакторов радиологическая эквивалентность РАО и природного уранового сырья по потенциальному канцерогенезу достигается уже через 100 лет выдержки.
Как отметил в своем выступлении главный экономист «Прорыва» Дмитрий Толстоухов, устойчивое конкурентоспособное развитие ядерной энергетики неразрывно связано с замыканием ЯТЦ. Он привел данные прогноза Института энергетических исследований РАН, согласно которому доля атомной энергетики в России может составить к 2050 году около 31 % (сейчас эта цифра — около 20 %). Сейчас правительством согласован рост доли атомной энергетики до 25 % к 2045 году.
От опытного — к промышленному
ОДЭК должен продемонстрировать работоспособность новых конструкций, технологий и принципиальную возможность замыкания ядерного топливного цикла. Но уже сейчас результаты работ по «Прорыву» позволяют перейти к разработке промышленных энергокомплексов с реакторами на быстрых нейтронах — ПЭК. «Конечная цель проекта «Прорыв» — перейти к массовому сооружению промышленных энергокомплексов с быстрыми реакторами», — подчеркнул, выступая на конференции, главный инженер «Прорыва» Андрей Петренко.
Принципы работы ОДЭК и ПЭК будут схожи, только в основе ПЭК — двухблочная АЭС с двумя реакторами на быстрых нейтронах мощностью 1200 МВт каждый. Какой именно — со свинцовым или натриевым теплоносителем — еще предстоит решить. Как и в ОДЭК, в ПЭК могут входить пристанционные модули по фабрикации и переработке топлива: на первом будут изготавливаться тепловыделяющие сборки со СНУП или МОКС топливом, на втором — вестись переработка ОЯТ для рефабрикации новых сборок. Возможен и вариант, когда объекты замыкания ЯТЦ будут расположены отдельно от АЭС, например на промышленных комбинатах Росатома. По словам Андрея Петренко, уже разработан обликовый проект ПЭК, сейчас ведется техникоэкономическое обоснование начального этапа развития двухкомпонентной ядерной энергетики.
Технологическая реализация принципа естественной безопасности
Равновесная активная зона быстрых реакторов позволяет минимизировать запас реактивности на выгорание ядерного топлива и практически исключить разгон на мгновенных нейтронах, т. е. исключить аварии типа Чернобыльской. Интегральная конструкция активной зоны исключает аварии типа Тримайла и Фукусимы. В кратчайшие сроки российские ученые разработали плотное уран-плутониевое нитридное топливо, позволяющее реализовать такую активную зону с кВА около единицы и обеспечить возможность работы быстрого реактора с полным воспроизводством делящихся материалов без уранового бланкета. Тяжёлый жидкометаллический теплоноситель обеспечивает уровень естественной циркуляции, достаточный для отвода остаточного тепловыделения с помощью воздушного теплообменника.
